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6.2.3. Bases de calcul des installations

Pour calculer une installation de ventilation, il faut connaître:

- le type de cellule à ventiler pour choisir la disposition des gaines,

- la nature et l'humidité du produit stocké, donc le débit spécifique à lui appliquer en ventilation continue,

- la quantité maximum de produit stocké et la périodicité des ventilations, si les conditions climatiques ne permettent pas une ventilation permanente.

a) CALCUL DU DÉBIT TOTAL

Le débit total est le produit du débit spécifique par le volume à ventiler.

Si la ventilation est périodique, le débit spécifique doit être multiplié par le rapport entre la durée de la période et la durée de ventilation. Ainsi, si l'on ventile 12 h sur 24, le débit spécifique doit être doublé.

Si la cellule n'est que partiellement remplie, il convient toutefois de se baser sur sa capacité maximum pour calculer le débit total.

b) CALCUL DES CONDUITES DE VENTILATION

Connaissant le débit, les sections des conduites sont calculées en respectant les normes suivantes de vitesse de l'air:

Les sections minimales des gaines seront calculées par la formule:

Ces normes conduisent souvent à des dimensions de gaines qui semblent très importantes. Il sera parfois nécessaire de les réduire en adoptant des normes de vitesse supérieures, Il est toutefois déconseillé d'accroître les vitesses indiquées de plus de 30 %, car les pertes de charge dans les conduites deviennent alors très élevées et conduisent à prévoir des ventilateurs plus puissants, donc plus chers à l'achat comme au fonctionnement.

Au raccordement du ventilateur et de la gaine principale, il faut prévoir un divergent pour diminuer la vitesse d'air à la sortie du ventilateur et améliorer le rapport , car seule la pression statique du ventilateur est intéressante.

L'angle du divergent devra être compris entre 7 et 15' et sa longueur devra être au moins égale à 1,5 fois le diamètre de sortie du ventilateur (Fig. 159).

Le débit étant connu, les conduites étant choisies en longueurs et en sections, reste à connaître les résistances ou pertes de charge que l'air devra vaincre pour:

- circuler dans les conduites,
- passer des gaines dans le grain,
- traverser le grain.

La somme de ces trois résistances nous donnera la pression que le ventilateur doit communiquer à l'air de ventilation.

c) PERTES DE CHARGE DANS LES CONDUITES

Cette résistance est provoquée par le frottement de l'air sur les parois des conduites et par les accidents sur les conduites (coudes, étranglements, etc.).

Fig. 159: Raccordement ventilateur-gaine.

- Angle paroi-axe du ventilateur: 7 à 15°.
- Longueur C ³ 1,5 D.

(Doc. CEMAGREF.)

Le réseau de gaines est composé d'un plus ou moins grand nombre de tronçons, mais le calcul des pertes de charge est simple en appliquant la règle suivante: «La perte de charge totale est la somme des pertes de charge partielles dans chacun des tronçons successifs».

Le réseau est donc divisé en tronçons; chaque tronçon correspond à une section de gaine et à un débit d'air et, partant du ventilateur, on calculera la perte de charge partielle dans chaque tronçon.

Pour assurer un débit égal dans deux ou plusieurs conduites en parallèle, il faut que les pertes de charge qu'elles entraînent soient égales. Les tronçons n'étant pas successifs, mais parallèles, la perte de charge totale n'est pas la somme des pertes de charge partielles, mais est égale à l'une d'entre elles.

- Pertes de charge par frottement

Pour le calcul, la perte de charge par mètre linéaire de conduite est donnée par:

avec

P	= perte de charge par mètre (en mm de CE),
Pd	= pression dynamique de l'air (en mm CE),
de	= diamètre équivalent d'une conduite de section quelconquequi a les mêmes caractéristiques qu'une conduite circulaire de diamètre

A surface de la section en m²,
M périmètre de la section en m.

Cependant, pour éviter les calculs, il existe des abaques (Fig. 160) qui donnent la perte de charge par mètre linéaire de conduite en fonction du diamètre équivalent de la conduite et du débit.

- Pertes de charge par accidents

Les accidents sont les coudes, les changements de section, inévitables dans tout réseau de gaines et qui gênent le passage de l'air. La perte de charge provoquée par chaque accident est donnée par la relation:

Nous reproduisons en Annexe III les principales valeurs de K pour les accidents les plus fréquents.

- Pertes de charge au passage gaine-grain

Lorsque la ventilation se fait par faux fond perforé, la perte de charge est calculée par la relation:

(voir en annexe III les valeurs de K).

Lorsque la ventilation se fait par cheminée centrale, la perte de charge totale au passage gaine-grain et dans le grain est donnée par la relation:

- r₁ et r₂ sont les rayons de la cheminée et de la cellule,
- Q est le débit d'air (en m³/s) par mètre de cheminée, multiplié par 100,
- P est exprimé (en mm CE) par mètre de cheminée,
- K₁ et K₂ sont des coefficients (voir pertes de charge dans le grain).

Fig. 160: PERTES DE CHARGE PAR FROTTEMENT

Dans des conduites circulaires en tôle pour différentes vitesses de l'air (débits) et pour différents diamètres de conduites.

Ce diagramme est établi pour de l'air à un degré hygrométrique moyen, à la température de + 20° C et à la pression barométrique de 760 m/m Hg ou pour tout autre gaz d'un poids spécifique égal (1,2 kg/m³).

(Origine: C.N.E.E.M.A.)

Lorsque la ventilation se fait par gaines, on assimile les gaines à des cheminées et on fait le calcul précédent avec

- r₁, rayon de la gaine,
- r₂, demi-distance entre les gaines.

- Pertes de charge dans le grain

La perte de charge provoquée par la traversée du grain pour un écoulement unidimensionnel est donnée par la formule de KOZENY-CARMAN ET ERGUN-MEYER.

Les coefficients K₁ et K₂ sont liés à la nature du produit, à son tassement et à son humidité.

VALEURS DE K₁ ET K₂ POUR DIFFÉRENTS PRODUITS (données fournies par le C.N.E.E.M.A.).

d) CHOIX DU VENTILATEUR (méthode pratique)

Comme nous l'avons vu précédemment, chaque ventilateur est caractérisé par sa courbe débit-pression.

Le débit est connu et la perte de charge totale est la somme des 3 pertes de charges partielles:

- perte de charge dans les conduites, Pc,
- perte de charge au passage gaine-grain, Pg,
- perte de charge dans la traversée du produit, Pp.

Sur un papier logarithmique transparent (avec en abscisses les débits et en ordonnées la perte de charge), on reporte à la verticale du débit calculé (Fig. 161):

- le point d'ordonnée Pc. La perte de charge dans les conduites varie comme le carré de la vitesse, ce qui, sur un papier logarithmique, est représenté par une droite de pente 2. On trace cette droite passant par A;

- le point B d'ordonnée Pg + Pp, somme des pertes de charge dans le produit et au passage de la gaine. Ces deux pertes de charge varient selon une relation de la forme

P = K₁ U₀ + K₂ U₀²

En première approximation, cette relation est représentée par une droite dont la pente varie selon les produits

Fig. 161: Choix du ventilateur.

On trace cette droite passant par B.

Ces droites étant tracées, faire la somme des pertes de charge ordonnée de A + ordonnée B = Pc + (Pg + Pp). C'est le point représentatif de la perte de charge totale.

De part et d'autre du débit fixé, on choisira un nouveau débit, et, pour chacun d'eux, on calculera de la même façon la perte de pression totale.

Les 3 points obtenus (C, C' et C'' sur la fig. 161) seront reliés par une courbe très plane, qui représente la courbe générale d'équilibre débit-pression de l'installation.

On superpose cette courbe aux courbes caractéristiques des catalogues de ventilateurs et l'on retient le ventilateur qui coupe la courbe de l'installation dans la zone pratique d'utilisation du ventilateur, le point C étant au-dessous ou à l'intersection de la courbe du ventilateur.

Le ventilateur étant choisi, quel sera le débit réel de ventilation? (Fig. 162).

Le débit réel sera l'abscisse Q_I du point I, intersection des deux courbes, et la perte de charge totale l'ordonnée P_I du même point. Le débit sera donc supérieur ou au moins égal (si C est à l'intersection des deux courbes) au débit choisi.

Fig. 162: Débit réel de ventilation.

Quel sera le débit si la cellule n'est remplie que partiellement ?

Lorsque la cellule n'est que partiellement remplie, l'épaisseur de grain à traverser est plus faible, donc les pertes de charge Pp sont inférieures. Il est aisé de calculer Pp connaissant la perte de charge par mètre d'épaisseur et d'en déduire l'ordonnée du point C₁ figuratif de l'installation (Ordonnée de C₁ = Pc + Pg + Pp).

Reprenons la figure précédente.

Par ce point C₁, on mène une parallèle à la courbe d'équilibre. Cette parallèle coupe la courbe caractéristique du ventilateur au point D. L'abscisse de D donne le débit réel de ventilation, d'où on pourra déduire le débit spécifique par mètre cube de produit. Il est intéressant de connaître le débit spécifique pour différentes hauteurs de produit, car, connaissant les débits spécifiques nécessaires suivant l'humidité du produit, le chef de silo peut répartir judicieusement les apports en fonction de leur risque de dégradation plus ou moins rapide.

La ventilation étant étudiée pour un produit, quel sera son débit si l'installation est utilisée au stockage d'un autre produit?

Fig. 163: Ventilation d'un autre produit.

Pour le débit donné Q, les pertes de charge dans les conduites seront identiques; les pertes de charge au passage gaine-produit et dans le produit devront être recalculées. Soit E le point figuratif de la perte de charge totale pour le débit Q. Par E on trace la courbe de fonctionnement de l'installation EE'E" homologue de la courbe CC'C'' pour le produit initial. L'intersection de la courbe EE'E'' avec la courbe caractéristique du ventilateur définit le nouveau point de fonctionnement, d'où l'on déduit le débit de ventilation Qf et le débit spécifique obtenu (Fig. 163).

En comparant aux normes de ventilation nécessaire pour ce nouveau produit, on en déduit l'aptitude de l'installation à le ventiler correctement.

Si le débit spécifique obtenu est inférieur à la norme, il faudra réduire la hauteur du produit jusqu'à ce que la norme soit satisfaite.

Remarque: Si la courbe EE'E'' ne coupe pas la courbe caractéristique du ventilateur dans sa zone normale d'utilisation, il sera impossible de stocker ce produit sans risque.

Lorsque, dès le projet, l'installation est prévue pour être polyvalente, il convient de tracer les courbes caractéristiques pour chaque produit avant de choisir le ventilateur.

Choix du ventilateur dans une installation prévue pour ventiler à volonté chaque cellule séparément ou 2 ou 3 cellules simultanément.

On tracera les courbes de fonctionnement dans chaque cas et l'on choisira le ventilateur dont la courbe englobe tous les points débitpression déterminés.

6.2.4. Conduite de la ventilation

L'objectif essentiel de la ventilation est d'abaisser ou de maintenir la température du grain. Son utilisation doit être raisonnée en fonction des températures et des hygrométries de l'air et du grain. Lorsque l'humidité relative de l'air est faible, la ventilation entraîne un léger séchage et un refroidissement complémentaire. Avec de l'air humide la ventilation est délicate mais possible lorsque la température du grain est supérieure de 4 à 5° C à celle de l'air. En entrant dans le grain il se réchauffe légèrement et son humidité relative diminue, limitant ainsi les risques de réhumidification du grain. Un programme d'études et d'essais devrait être conduit pour aboutir à des recommandations pratiques aisément vulgarisables en zone tropicale.

6.2.5. La ventilation réfrigérée

Lorsque les conditions climatiques ne permettent pas de disposer de températures basses (5° C à 10° C) il est toujours possible, comme lemontre le schéma ci-dessous, de créer un froid artificiel à l'aide de machines frigorifiques. Le coût de ces installations est souvent le facteur limitant leur emploi.

Fig. 164: Représentation schématique de la réfrigération des grains dans le silo. (Doc. Escher Wyss.)

6.3. Équipements des centres de stockage

6.3.1. Matériel de réception - nettoyage
6.3.2. Manutention des grains
6.3.3. Matériels de contrôle
6.3.4. Matériels de désinsectisation
6.3.5. Maintenance des équipements

SCHÉMA GÉNÉRAL D'UN CENTRE DE STOCKAGE

Extérieurement un centre de stockage apparaît comme un ensemble de cellules auquel est accolée une tour de travail (manutention, pesée, nettoyage, désinsectisation, etc.) selon le schéma ci-dessous:

Fig. 165: Schéma d'une unité de stockage en vrac.

1. Fosse ou trémie de réception des grains.
2. Système d'élévateurs amenant le grain en haut de la tour de manutention ce qui permet de le travailler par gravité.
3. Système de nettoyage.
4. Système de pesage.
5. Transporteurs horizontaux pour chargement et vidange des cellules.
6. Désinsectisation des grains.
7. Contrôle du produit à l'entrée (échantillon) et en cours de stockage (silo thermométrie).

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